【藍天之夢】07,飛機構造與飛機模型

在小屁孩初長成 That moment,我哥哥入伍離家前送給我兩件珍寶。

衆人問:哪兩件珍寶?吾曰:好馬快刀。

衆人甲問:馬謂何馬?吾曰:溜鬚拍馬。

衆人乙問:刀乃何刀?吾曰:兩面三刀。

麼哈麼哈,以上都是胡說八道。

我哥哥確實送我兩件珍寶,其一是一架按比例用米帝飛機殘骸鋁澆鑄的米格15飛機模型,其二是一把用米帝飛機引擎的渦輪鋼鍛造的匕首。因爲都是出自米帝被擊落飛機殘骸製作,所以非常珍貴。

有一天我在把玩那架米格15飛機模型,忽然發現左機翼內測突出部位似乎有一個很小的缺口,經過仔細分析我判定是製作飛機摸具時疏忽造成的,雖然這是一起嚴重的政治事件,但是經過研究,決定對摸具製造者不予追究責任,這是我當時代表組織做出的結論。

時間就像那匹白馬,嗖嗖的從大門縫隙裏飄了過去,This moment,我終於有時間學習飛行了,也有可能對那個塵封多年的米格15飛機模型事件進行技術分析和調查......

一,飛機基本構造

飛行器(Aircraft)是一種用於或者可用於飛行的設備,飛行器分爲:飛機(Airplane),直升機(Rotocraft),氣球類(Lighter-that-air),動力升力類(Powerd-lift),以及滑翔機(Glider)。

飛機的結構主要由五大部分組成:機身(Fuselage)、機翼(wings)、尾翼(empennage)、起落裝置(landing gear)和動力裝置(Powerplant)。

01,機身

機身包括駕駛艙(Cockpit)和/或客艙(Cabin)。另外機身也有可供貨艙和其它飛機主要部件的掛載點。

大部分飛機都是椼架結構(Truss),使用鋼或鋁質管子焊接成一系列三角形來獲得強度和剛性。

上圖就是常用的華倫椼架結構(Longeron),一般都是用鋁合金管子,通過鉚釘連接。

隨着技術進步,飛機從椼架單元變成流線型,從最初使用布料織物蒙皮改成輕金屬。大多數飛機使用單體構造或者半單體構造的加強型外殼結構。單體造型結構主要由外殼(Skin)、隔框(fromer)、防水壁(Bulkhead)組成。

由於沒有支柱,外殼必須足夠堅固以保持機身的剛性,由於單體設計的限制,現代飛機大多數使用半單體造型結構。

半單體結構(Semi-monocoque construction)使用飛機外殼貼上亞結構,亞結構由隔框和隔壁以及椼條(Stringer)組成,通過來自機身的彎曲應力來加固外殼,機身的主要部分也包括機翼掛載點(Wingattachment point)和防火隔板(Firewall)。

02,機翼

機翼是連接到機身兩邊的翅膀,主要提供飛機飛行的升力。

機翼通常安裝在機身的上、中或較低部分,分別稱爲高翼、中翼和低翼。大部分飛機爲單翼機(monoplane),也有雙翼或復翼飛機(biplane)。

機翼的結構主要分爲懸臂翼(Cantilever)和半懸臂翼(semi-cantilever)。

例如上圖這架塞斯納172就是高翼結構。它有外部支柱(機翼支桿),通過支桿把飛行和着陸負荷傳遞到主機身結構。由於支桿安裝在機身的一半位置,所以這種類型的機翼結構也叫半懸臂機翼。  

低翼飛機(下圖派珀飛機)不用外部支桿來承載負荷,屬於全懸臂機翼。

機翼的主要結構部件有翼梁(Spar)、翼肋(Rib)、椼條(Stringer)。

機翼通過支桿、工字型梁、管子、外殼等得到加固。翼肋決定了機翼的外形和厚度。

現代飛機的油箱也是機翼的一個集成部件,安裝在機翼裏的的容器中。

在機翼後部邊緣的兩種控制面稱爲副翼(aileron)和襟翼(flap)。

副翼通常位於機翼中間後面向外延伸出部分,襟翼從靠近機身處向中點延伸。

襟翼在飛機巡航飛行時和機翼表面齊平,當襟翼向下伸出可以在起飛和降落時增加機翼的升力。

03,尾翼

飛機尾部的裝置稱爲尾翼(enpennage)。尾翼的固定翼面,由垂直尾翼(vertical stabilizer)和水平尾翼(horizontal stabilizer)組成;活動表面,由方向舵(rudder)、升降舵(elevator),以及配平片(trim tab)也叫補翼組成。

還有一種全動式水平尾翼,不需要升降舵,它在中央的鉸鏈點安裝一片水平尾翼,鉸鏈軸是水平的,使用控制輪移動,在水平尾翼還有一個沿尾部邊緣的防沉降片。

垂直方向舵(rudder)安裝在垂直尾翼的後部,飛行時它用於使飛機頭部向左或右運動,在飛行轉彎時,垂直方向舵與副翼配合使用。

升降舵(elevator)安裝在水平尾翼的後面,用於控制飛行中飛機的頭部向上或向下運動。

配平片(trim tabs)位於控制面的尾部,可降低控制壓力。配平片也可以安裝在副翼、方向舵或升降舵上。

解釋:什麼是配平?由於飛行中副翼、方向舵和升降舵會產生舵壓,爲了使舵壓達到trim off(舵壓達到0)狀態,在以上三舵上安裝微調裝置(配平片),這樣可以減輕飛行員駕駛疲勞,保持飛機穩定飛行。

04,起落裝置

起落裝置是用來支持飛機並使它能在地面和水平面起落和停放。

陸上飛機的起落裝置,大多由減震支柱和機輪等組成,它是用於起飛、着陸滑跑、地面滑行和停放時支撐飛機。

飛機起落裝置安裝浮筒(float),可以在水上起降;如果裝上雪橇(ski),則可以在雪上着陸。

起落架由三個輪子組成,兩個主輪,以及一個可以在飛機後面或者前面的第三個輪子。使用後面安裝第三個輪子的起落架稱爲傳統起落架,也稱爲後三點式飛機(tailwheel airplane)。第三個輪子位於飛機頭部位置,稱爲前三點式飛機(tricycle gear)。可操控的第三個輪子在地面對飛機轉向進行控制。

起落裝置還分爲固定起落架和伸縮起落架(如上圖)。

05,動力裝置

動力裝置通常包括髮動機和螺旋槳,主要用來產生拉力或推力,使飛機前進,其次還可以爲飛機上的用電設備提供電源,爲空調設備等用氣設備提供氣源。

發動機一般包括引擎(engine)和螺旋槳推進器(propeller)。

現代飛機的動力裝置,應用較廣泛的有四種:

-航空活塞式發動機加螺旋槳推進器;

-渦輪噴氣發動機;

-渦輪螺旋槳發動機;

-渦輪風扇發動機。

安裝在發動機前面的推進器(propeller)把發動機的轉動力量轉化爲反衝力,即向前的作用力,幫助飛機在空氣中移動。

另外隨着航空技術的發展,火箭發動機、衝壓發動機、原子能航空發動機等,也在研發並逐步被採用。

動力裝置除了發動機外,還包括一系列保證發動機正常工作的系統,例如燃油供應系統等。

二,米格15飛機

米格15戰鬥機是蘇聯第一代戰鬥機的代表,也是第一代後掠翼亞音速噴氣式戰鬥機的傑出代表。

抗美援朝期間,我年輕的志願軍空軍就是駕駛米格15戰機,在朝鮮上空與美軍較量,建立了著名的米格走廊,重創了美軍B-29轟炸機和爲其護航的F-84、F-86戰機,打碎了美軍空地一體戰略,爲五次戰役後,美軍無法實施朝鮮東西兩側登陸作戰創造了極其重要的條件。

米格15 是我心中的戰神。還在小屁孩初長成That moment,米格15的飛機模型就帶給了我藍天之夢。

01,米格15與F-86的性能區別

朝鮮空戰中、後期就是米格15與F-86之間的對決。

米格15比斯的主要技術性能:

-翼展10.085米

-機長10.102米

-機翼面積20.6平方米

-空重3681公斤

-載油量1173公斤

-正常起飛重量6106公斤

-最大速度1107公里/小時

-實用升限15500米

-航程1330公里

-武器裝備爲1門37機炮、2門23機炮。


F-86主要技術性能:

-翼展11.9米

-機長11.45米

-機高4.5米

-機翼面積29.2平方米

-空重5050公斤

-正常起飛重量6890公斤

-最大速度960公里/小時

-實用升限15000米

-作戰半徑750公里

-武器裝備6X12.7毫米機槍

決定戰鬥機機動性能最重要的兩個基礎指標就是推重比和翼載荷。推重比是發動機與戰鬥機重量之比,翼載荷是戰鬥機重量與機翼面積之比。

推重比影響垂直爬升,翼載荷影響水平機動和起降性能。

米格15體積小,重量輕,推重比高於F-86,因此垂直爬升能力好,米格15的優勢在於迅速爬升,然後居高臨下利用勢能快速俯衝逼近咬敵。米格15火炮摧毀能力大,但是彈道彎曲,而且使用老式光學瞄準鏡,所以米格15必須“拼刺刀”(靠近了打)

F-86機翼面積大,翼載荷強於米格15,因此F-86水平機動能力更好。F-86的優勢在於水平機動,在空中繞圈機動中咬住對手。F-86機槍彈道低伸,有電子瞄準器,適合遠距離攻擊,而且備彈量大,可以持續射擊。

02,米格15與F-86不同的技術發展方向

二戰後期納粹德國發明瞭後掠翼噴氣式戰鬥機。

美國人繳獲了Ta183驗證機,於是開始了F-86的設計。

蘇聯人在柏林繳獲了Ta183的圖紙,於是開始照葫蘆畫瓢生產了米格9戰鬥機,之後又改進生產了米格15。

但是他們只從德國人那裏學會了後掠翼,沒有學懂薄型機翼。結果後掠翼最可怕的問題出現了,那就是翼尖失速。

其實二戰時期德國的航空工程師在研究後掠翼時就發現雖然可以降低激波阻力,但是由此產生不穩定力矩,容易導致飛機失控,尤其飛機進入一定仰角飛行時,很容易進入危險的翼尖失速。

翼尖失速就是因爲氣流不斷向翼尖流去,導致翼尖附面層堆積很厚,很容易失速,而且左右翼尖不可能同時失速,所以任何一邊失速都會引起飛機滾轉和搖擺。

爲了解決翼尖失速,德國的漢斯航空工程師試驗了兩種方法,一是加裝自動縫翼,二是加裝翼刀。如何處理翼尖失速,美蘇之間開始走了兩條不同的路線。

F-86採取機翼前緣控制技術,安裝了自動前緣縫翼,通過仰角和氣壓變化,以機械方式自動調整,也就是在主機翼之間產生縫隙,導入一股氣流,衝擊機翼上方,而使氣流分離。

米格15則充分發揮了老毛子簡單粗暴的優良傳統,直接在機翼上安裝翼刀,來改善飛機俯仰安定性。

但是翼刀只能推遲飛機上仰發生的仰角,但是不能消除上仰的發生。因此翼刀只能治標,前緣翼縫才能治本。

03,翼刀

翼刀(wing fence)是機翼上一種用於控制附面層移動的簡易擋板結構。是由德國工程師沃爾夫岡.利貝發明的。

由於機翼上表面的氣流會自動向翼梢流動,相應的附面層也會逐漸向翼梢堆積,這些氣流最終會在翼梢分離,從而降低飛機的升力,並且產生很大的滾轉力矩,容易使飛機進入尾旋。

解決翼尖失速問題,最簡單的方法就是在機翼上安裝幾片鋁合金片,用物理的方式阻擋附面層氣流流過去,這種方法簡單、可靠性強,成本低廉,翼刀等於在翼面上建了一堵牆,把有害的氣流向翼梢流動的趨勢擋住。但是裝了翼刀,等於加裝了減速板,會影響飛機的機動性能。

其實現在很多汽車也是加裝了翼刀的,目的是改善汽車在高速運動時飄的感覺。

04,翼刀的缺口

學習了飛機的構造,仔細研究了米格15比斯,發現在左機翼內測翼刀上確實有一個缺口。

原來是因爲在米格15左側機翼上表面有起落架收放狀態指示杆,但是翼刀擋住了飛行員的視線。

怎麼辦?簡單粗暴的老毛子機械師拎起錘子,咔擦一下,咂出個缺口就解決了問題。這就叫方法總比問題多(這段是我瞎編的)。

我在學習飛行理論時還不忘那個小屁孩初長成的案子,總算在不懈的努力下把那架米格15飛機模型爲何左機翼上有一個很小的缺口弄清楚了,原來不是製作飛機模型摸具時的差錯,而是摸具開模做的十分精緻,連那個小缺口都沒有放過。

爲此我必須向那位製作摸具的四川籍防化連老班長致以敬意,並且代表組織宣佈推翻之前的一切不實之詞......

每個人一生中都會揹負一些不白之冤。

(謝謝閱讀)

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